Kémia Wagner Ödön BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék Környezetmérnököknek és terméktervezőknek Wagner Ödön BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék wagner@mail.bme.hu Tel.: 463-31-06

Kurzussal kapcsolatos tudnivalók Vizsgaidőszakban írásbeli vizsga Opcionális: évközben előadásidőben 2, ill. 3 db zárthelyi  megajánlott jegy. Akarjuk??????? Előadás: Környezetmérnököknek: H 13,15-14,45 Terméktervezőknek 1-7 hétig H 13,15-14,45 8-14 hétig H 10,15-11,45 H 13,15-14,45

Miért van szüksége a környezetmérnöknek és a gépész terméktervezőnek kémiai tudásra? Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb laborokban gépekkel, műszerekkel dolgoznak Gépeket felépítő anyagnak vannak kémiai vonatkozásai Gépek működésének kémiai vonatkozásai fém, ötvözet, műanyag megfelelő szilárdság, környezeti hatásokkal szembeni ellenállóság működésbiztosítás (kenőolaj) megmunkált anyag tulajdonságai műszerekkel nyert kémiai információ (gép célja)

Tematika Általános kémia Szervetlen kémia Szerves kémia Atomok, molekulák, kémiai kötések Periódusos rendszer (http://www.ptable.com/) Anyagi halmazok (gáz, folyadék, szilárd, ötvözetek) Kémiai reakciók (reakcióegyenlet, egyensúlyok, energetika) Elektrokémia (galvánelem, akkumulátor, korrózió)

Tematika Általános kémia Szervetlen kémia Szerves kémia Elemek Alkáli-, alkáliföld- és átmeneti fémek vegyületei Nemfémes elemek vegyületei

Tematika Általános kémia Szervetlen kémia Szerves kémia Alifás vegyületek Aromás vegyületek Alkoholok, karbonsavak, aminok Polimerek (szilikonok, műanyagok)

Az atom Az atom az anyag azon legkisebb stabil része, melyre az anyag kémiai úton bontható. A különböző elemek különböző atomokból állnak. Az adott atom határozza meg az adott elem kémiai tulajdonságait. Atomok egymásba való átalakítása csak nagy energiájú magreakciókkal történhet: Radioaktív bomlás (14C → 14N + e-, felezési idő 5700 év) Maghasadás (235U + n0 → kisebb atomok + 2-3 n) Magfúzió (2H + 3H → 4He + n0) Az atomok mérete: 10-10 m (1 Å) nagyságrendnyi. Az atomok tömege: 10-27-10-25 kg között. Makroszkopikus dimenzió: 1 mól = 6.022.1023 db részecske (atom, molekula) Moláris tömeg: 1 mól anyag tömege. Avogadro-féle állandó, NA

Az atom felépítése elemi részecskék: atommag + elektronok Név (jel) Tömeg (kg) Töltés (C) Relatív Relatív tömeg töltés Proton (p+) 1,673.10-27 +1,6.10-19 1 +1 Elektron (e-) 9,109.10-31 -1,6.10-19 1/1840 -1 Neutron (n0) 1,675.10-27 0 1 0 + kb. 200 kis (szubatomi) részecske

Szubatomi részecskék A kvarkok azok az elemi részecskék, amelyekből a mezonok és a barionok (például a proton és a neutron) felépülnek. A spinjük 1/2 , tehát fermionok. A kvarkok részt vesznek mind az erős, mind az elektromágneses, mind a gyenge kölcsönhatásban. Az erős kölcsönhatáshoz azonban szorosabb kapcsolat is fűzi őket. magyar név angol név jelölés nyugalmi tömeg elektromos töltés   (GeV/c2) (e) Fel* Up u 0,0015-0,005  2/3 Le* Down d 0,017-0,025 - 1/3 Bájos Charm c 1,1-1,4 Furcsa Strange s 0,06-0,17 Felső / Tető* Top / True t 165-180 Alsó / Szépség* Bottom / Beauty b 4,1-4,4 Három kvark alkotja a szokásos barionokat (három antikvark az antibarionokat), ahol a három kvarknak három különböző színe van. A közismert proton összetétele uud, a neutroné udd. Minden barion fermion. A barionokat további két csoportba soroljuk, ezek a nukleonok és hiperonok. A nukleonok az atommag alkotórészei, a proton ill. a neutron.

A kvarkok nem létezhetnek szabadon A kvarkok nem létezhetnek szabadon. Az erős kölcsönhatás az úgynevezett szín-töltésre hat. A kvarkok között ható erős kölcsönhatás, amelyet a gluonok közvetítenek, a könnyű kvarkoknak kötött állapotokban észlelhető tömegét jelentősen megnöveli. (Ne gondoljuk, hogy a kvarkoknak tényleges színük van, az elnevezés csak egy hasonlóságon alapul.) Mindegyik kvark előfordulhat háromféle színben. Ezeket a három alapszínről vörösnek, zöldnek és kéknek nevezték el, amelyeket az angol rövidítésük után r g és b betűvel rövidítenek. A kvarkok kis energián csak olyan kötött állapotban létezhetnek, amelyek színsemlegesek. Ilyenek például a három szín mindegyikét tartalmazó barionok, egy színt és egy antiszínt tartalmazó mezonok és a három antiszínt tartalmazó antibarionok (kvarkbezárás). A kvarkbezárás alapgondalata az, hogy a kvarkokat összetartó erő a kvarkok közötti távolság növekedésével nem csökken, ezért nem lehet azokat egymástól szétszakítani. A neutron felépítése Kép forrása :http://hu.wikipedia.org/wiki/Kvark

Az atom felépítése elemi részecskék: atommag + elektronok Jellemzők: Az atom semleges: protonok és elektronok száma azonos Vegyjel: C, N, O, H, Al, Fe, stb. Rendszám (Z): protonok száma (azonos az elektronok számával, meghatározza az elektronburok szerkezetét, így a kémiai tulajdonságokat!) (jelölés: 6C) • Tömegszám (A): protonok (Z) és neutronok (N) számának Összege (jelölés: ) • Elem: azonos rendszámú atomok alkotják. Az elemek jelölésére vegyjeleket használunk. – Izotópok: azonos rendszámú, de különböző tömegszámú (eltérő számú neutront tartalmazó) atomok – a legtöbb elem izotópok keveréke, pl. szén izotópjai: 12C → 6 proton + 6 neutron 13C → 6 proton + 7 neutron – Tiszta elemek: csak egyetlen stabil izotópjuk létezik, pl. fluor: 19F → 9 proton + 10 neutron

Elektronok Az elektronok a kb. 10-15 m átmérőjű atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínűséggel megtalálható. Jellemzők: Atommag – elektronok közötti vonzás Elektron – elektron taszítás Elektron mozog (tartózkodási valószínűség) Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezőbb (helyzeti energia analógja)

Bolygómodell (N. Bohr, 1913) • az elektronok meghatározott pályákon (energiaszinteken) lehetnek (héjak) • egy elektronhéjon maximálisan 2n2 elektron lehet (elsőn 2, másodikon 8...) • Kvantummechanikai atommodell (E. Schrödinger, 1926) • az elektronburok szerkezete (az elektronok tartózkodási valószínűsége) összetett függvényekkel írható le. Ezek megoldásaiban állandók (konstansok) szerepelnek, amelyek kis egész számok (kvantumszámok). • egy elektron 4 kvantumszámmal írható le (fő-, mellék-, mágneses- és spinkvantumszám) További fogalmak: Alapállapot: minden elektron a legalacsonyabb energiájú pályán van Gerjesztett állapot: egy vagy több elektron magasabb E-jú pályán (instabil) Pályaenergia: felszabadul, ha az elektron az atomon kívülről belép

Elektronszerkezet Az elektronok az atommag körül jól definiált rendszer szerint mozognak. Az atompályák elektronhéjakba/alhéjakba csoportosíthatók, melyeket kvantumszámokkal jellemzünk. Főkvantumszám (n): elektronhéjat definiálja (K, L, M, N, …) Mellékkvantumszám (l): elektron alhéjat definiálja (s, p, d, f, …) K (n=1): 1s2 L (n=2): 2s2, 2p6 M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10 N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14 …… Alhéj: egyúttal különböző alakú pályákat jelent: s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3) Mágneses kvantumszám: atompálya térbeli iránya mágneses térben Értéke: egész szám -l … +l tartományban 1-féle s pálya (2 db s e-) 3-féle p pálya (6 db p e-) 5-féle d pálya (10 db d e-) 7-féle f pálya (14 db f e-) Spinkvantumszám: +1/2 és -1/2 Két elektron lehet minden pályán

Atompályák részletesen Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

Elektronszerkezet Pályaenergiák és beépülés: K (n=1): 1s2 L (n=2): 2s2, 2p6 M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10 N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14 …… Pályaenergiák sorrendje kicsit eltér: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, … (lásd majd a periódusos rendszert) Pauli elv: egy atomban nem lehet két olyan elektron, melynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. Azaz minden cellában maximum két (ellentétes spinű elektron) lehet csak. Hund szabály: egy alhéjon adott számú elektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlan spinű elektronok száma. Pl. Fe 3d6 betöltöttsége: Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

Elektronszerkezet • 28Ni elektronszerkezet felépülése: 28 elektron 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8 Vegyértékelektronok: 4s2, 3d8 Vegyértékelektronok: telítetlen héj(ak)on levő elektronok. Ezek vesznek részt kémiai reakciókban és a másik atomokkal való kölcsönhatásokban. Atomtörzs: atommag + nem vegyértékelektronok (kémiailag inert)

Az atompályák feltöltődésének szabályai Energiaminimum elve • Pauli-elv • Hund-szabály

Elektronok gerjesztése Az alapállapot és a gerjesztett állapotok közötti energia-átmenetek teszik lehetővé a különböző spektroszkópiai módszerek alkalmazását a műszeres kémiai elemzésben!

Lángfestés (gerjesztés) A lángban az elektronok a hő hatására magasabb energiájú pályára kerülnek. A gerjesztés után az energiaszinteknek megfelelő energia-különbség kisugárzása közben visszakerülnek az eredeti energia-szintre. Egyes elemeknél a kibocsátott foton hullámhossza a látható fény tartományába esik. foton kibocsátás hő 3p Na: 3s fém szín lítium (Li) bíborvörös nátrium (Na) sárga kálium (K) fakóibolya kalcium (Ca) téglavörös bárium (Ba) sárgászöld réz (Cu) zöld

Tűzijáték rakéta Begyújtás a bal oldalon levő gyújtózsinórral. Színek: vörös: stroncium-klorid, stroncium-hidroxid stroncium-nitrát zöld: bárium-klorid, kék: réz-oxid, réz-klorid bíbor: réz-klorid + stroncium-klorid lila: stroncium-klorid, lítium-klorid halvány ibolya: kálium-klorid Begyújtás a bal oldalon levő gyújtózsinórral. A motortérben levő feketelőpor égése gázt termel, mely hajtja a rakétát. Ha a feketelőpor elfogy, begyullad a robbanófej: csillagok, stb.

Fluoreszcencia (UV fénnyel besugározva) Kalcit (CaCo3) Gipsz (CaSO4) Fluorit (CaF2) http://www.mineraltivadar.hu/AboutTheMinerals.htm

Fluoreszcencia (foszforeszcencia) (G. G. Stokes, 1852, fluorit) Néhány anyag UV fénnyel megvilágítva elnyeli az UV sugárzást és helyette látható fényt bocsát ki. Fluoreszcencia: 10-9 s Foszforeszcencia: 10-3 – 103 s Magyarázat: UV foton hatására egy vegyértékelektron magasabb energiájú pályára gerjesztődik: EUVfoton=DEelektron + egyéb gerjesztés. A rendszer az egyéb gerjesztett állapotból relaxálódik. Az elektron visszaugrik az alapállapotba DEelektron-nak megfelelő látható tartományba eső foton kisugárzása közben.

Radioaktivitás Alfa-bomlás: az atommagból egy hélium atommag (erősen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erősen ionizáló, viszont hatótávolsága levegőben 1 cm alatt van. Béta-bomlás: az atommagban neutronból lesz proton elektron kibocsátása közben (a béta-sugárzás tehát elektronsugárzás). Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegőben pár 10 cm. Gamma-bomlás: energia távozik nagy energiájú fotonként. Az előbbiek kísérőjelensége szokott lenni. Hatótávolsága levegőben praktikusan végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) nyelik el hatékonyan. Felezési idő: megmutatja, mennyi idő alatt bomlik el a radioaktív magok fele.

Maghasadás

Magfúzió